1.1. Định nghĩa
1.2. Tính ưu việt của hợp kim 1.3. Các dạng cấu tạo của hợp kim 2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử 2.1. Giản đồ pha loại I
2.2. Giản đồ pha loại II 2.3. Giản đồ pha loại III 2.4. Giản đồ pha loại IV
3. Giản đồ pha Fe - C (Fe- Fe3C) 3.1. Tương tác giữa Fe- C.
3.2. Giản đồ pha Fe- C (Fe- Fe3C) và các tổ chức.
- Rèn luyện tính nghiêm túc, chủ động và sáng tạo trong học tập.
1. Khái niệm về hợp kim
Mục tiêu:
- Trình bày được những khái niệm cơ bản về hợp kim, dung dịch rắn và pha trung gian, hỗn hợp cơ học;
1.1. Định nghĩa
Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim). Hợp kim được tạo thành trên cơ sở kim loại: giữa hai kim loại với nhau mà cũng có thể là giữa một kim loại với một á kim, song nguyên tố chính vẫn là kim loại. Nguyên tố kim loại chính, chứa nhiều nhất (> 50%) được gọi là nền hay nguyên tố chủ.
1.2. Ưu việt của hợp kim
Trong chế tạo cơ khí, thiết bị, đồ dùng... các vật liệu đem dùng thường là hợp kim vì so với các kim loại nguyên chất nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng, gia công và kinh tế.
1) Có độ bền cao để chịu được tải cao khi làm việc nhưng đồng thời cũng không được giòn để dẫn đến phá hủy.
2) Tính công nghệ đa dạng và thích hợp: để tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm, vật liệu phải có khả năng chế biến thích hợp và được gọi là tính công nghệ.
3) Trong nhiều trường hợp, luyện hợp kim đơn giản và rẻ hơn so với luyện kim loại nguyên chất, do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào.
1.3. Các dạng cấu tạo của hợp kim
Tùy thuộc vào sự tương tác giữa các nguyên tử của những nguyên tố mà hợp kim có ba dạng cấu tạo: dung dịch rắn, hợp chất hóa học, hỗn hợp cơ học 1.3.1. Dung dịch rắn
Dung dịch rắn là hợp kim có một pha đồng nhất về cấu tạo, trong đó các nguyên tố hòa tan vào mạng tinh thể của nhau. Mạng tinh thể của dung dịch rắn giống mạng tinh thể của một trong các nguyên tố tạo ra nó. Nguyên tố tạo ra dung dịch rắn gọi là dung môi (% cao), các nguyên tố khác gọi là chất tan (% thấp).
Các nguyên tử hòa tan được sắp xếp lại trong mạng tinh thể dung môi theo hai kiểu khác nhau, tương ứng với hai loại dung dịch rắn: thay thế và xen kẽ như biểu thị ở hình 2.1, trong đó các vòng tròn gạch chéo và tô đen biểu thị các nguyên tử hòa tan trong mạng cấu tử dung môi (vòng trắng). Rõ ràng ở đây yếu tố hình học có ý nghĩa quan trọng. Ta lần lượt xét từng loại dung dịch rắn.
100%A 6,25%B 12,5%B 75%B 100%B
Hình 2.1. Sơ đồ sắp xếp nguyên tử hòa tan thay thế và xen kẽ vào dung môi có mạng lập phương thể tâm
* Dung dịch rắn thay thế
Trong dung dịch rắn thay thế các nguyên tử hòa tan chiếm chỗ hay thay thế vào đúng các vị trí nút mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như của cấu tử dung môi. Sự thay thế chỉ xảy ra đối với các nguyên tố có kích thước nguyên tử khác nhau ít như giữa các kim loại với sự sai lệch không quá 15%. Vượt quá giới hạn này sự thay thế lẫn nhau là rất khó vì làm mạng xô lệch quá mạnh, trở nên mất ổn định.
Sự thay thế trong dung dịch rắn thường chỉ là có hạn vì nồng độ chất tan càng tăng mạng càng bị xô lệch cho đến nồng độ bão hòa, lúc này nếu tăng nữa sẽ tạo nên pha mới (dung dịch rắn khác hay pha trung gian), nồng độ bão hòa đó được gọi là giới hạn hòa tan.
Dung dịch rắn thay thế xảy ra cần có bốn điều kiện:
- Tương quan về kiểu mạng: nếu cùng kiểu mạng mới có thể hòa tan vô hạn, khác kiểu mạng chỉ có thể hòa tan có hạn;
- Tương quan về kích thước: nếu đường kính nguyên tử sai khác nhau ít (< 8%) mới có thể hòa tan vô hạn, sai khác nhau nhiều (8 ÷ 15%) chỉ có thể hòa tan có hạn, sai khác nhau rất nhiều (> 15%) có khả năng không hòa tan lẫn nhau;
Hình2.2. Sơ đồ thay thế để tạo nên dãy dung dịch rắn liên tục (hòa tan vô hạn) giữa
hai kim loại A và B khi lượng B tăng dần: a. nguyên tố A; b, c, d. dãy dung dịch rắn liên tục
của A và B; e. nguyên tố B.
- Tương quan về nồng độ điện tử (số lượng điện tử hóa trị tính cho một nguyên tử): nếu đại lượng này vượt quá giá trị xác định đối với loại dung dịch rắn đã cho sẽ tạo nên pha khác tức dung dịch rắn chỉ là có hạn. Chỉ các nguyên tố cùng hóa trị mới có thể hòa tan vô hạn vào nhau, các nguyên tố khác nhau về hóa trị chỉ có thể hòa tan có hạn.
- Tương quan về tính âm điện. Trong hóa học tính âm điện thường dùng để biểu thị khả năng tương tác hóa học tạo thành phân tử. Nếu hai nguyên tố có tính âm điện khác biệt nhau rất nhiều dễ tạo nên hợp chất hóa học (pha trung gian), sẽ hạn chế khả năng hòa tan vào nhau thành dung dịch rắn và ngược lại.
* Dung dịch rắn xen kẽ
Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hòa tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ (dung môi), tức là vẫn có kiểu mạng như kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên. Sự xen kẽ trong dung dịch rắn chỉ là có hạn, nồng độ hòa tan thường rất nhỏ.
1.3.2. Pha trung gian (hợp chất hóa học)
Hợp chất hóa học được hình thành khi các nguyên tố kết hợp với nhau theo tỷ lệ nhất định và có thể biểu diễn dưới công thức hóa học (với liên kết kim loại). Hợp chất hóa học có cấu tạo tinh thể riêng, không giống nguyên nào tạo ra nó. Sự sắp xếp các nguyên tử A và B có trật tự.
Ví dụ: Các hợp chất hóa học: Mg2Si, Mg2Sn, Cu5zn8…
Các pha trung gian trong hợp kim thường gặp gồm có: pha xen kẽ, pha điện tử và pha Laves.
1.3.3. Hỗn hợp cơ học
Hai nguyên A và B tạo thành hỗn hợp cơ học khi chúng không có khả năng hòa tan vào nhau ở trạng thái đặc và không phản ứng hóa học với nhau để tạo thành hợp chất hóa học.
- Hai nguyên B và A nằm riêng rẽ với nhau;
- Tính chất mỗi tinh thể A và B tương tự tính chất của kim loại nguyên chat A và B.